体彩顶呱刮山西游 www.whkkd.tw 有人把它比作集成电路领域的“橡皮泥”,还有人称其为可编程的“万能芯片”,作为四大通用集成电路芯片之一,其重要性与 CPU、存储器、DSP 齐平。


它是何方神圣?


我们来了解一下。

 


FPGA,即现场可编程门阵列,它是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物,是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的,是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,完成既定设计功能的数字集成电路。既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。


特别是在云计算、大数据、人工智能、工业互联网等技术成为电子信息产业新热点之际,FPGA 在这些领域之中都发挥着不可替代的作用。中国既是 FPGA 的重要应用市场,也在 FPGA 产业上具有一定的基础。近年来,中国厂商在国际 FPGA 产业生态中开始拥有着相应地位。国家在扶持 CPU、存储器等集成电路产业之后,提前布局大数据、云计算产业,推动 FPGA 的发展已箭在弦上。

 

FPGA 的优势和不足

FPGA 优点包括可编程灵活性高、开发周期短、并行计算效率高等。


可编程灵活性高:与 ASIC 的全定制电路不同,FPGA 属于半定制电路。理论上,如果 FPGA 提供的门电路规模足够大,通过编程可以实现任意 ASIC 和 DSP 的逻辑功能。另外,编程可以反复,不像 ASIC 设计后固化不能修改。所以,FPGA 的灵活性也较高。实际应用中,FPGA 的现场可重复编程性使开发人员能够用软件升级包通过在片上运行程序来修改芯片,而不是替换和设计芯片(设计和时间成本巨大),甚至 FPGA 可通过因特网进行远程升级。

 


开发周期短:ASIC 制造流程包括逻辑实现、布线处理和流片等多个步骤,而 FPGA 无需布线、掩模和定制流片等,芯片开发流程简化,FPGA 比 ASIC 的设计流程大幅减小。

 

并行计算效率高:FPGA 属于并行计算,一次可执行多个指令的算法,而传统的 ASIC、DSP 甚至 CPU 都是串行计算,一次只能处理一个指令集,如果 ASIC 和 CPU 需要提速,更多的方法是增加频率,所以 ASIC、CPU 的主频一般较高。FPGA 虽然普遍主频较低,但对部分特殊的任务,大量相对低速并行的单元比起少量高效单元而言效率更高。另外,从某种角度上说,FPGA 内部其实并没有所谓的“计算”,最终结果几乎是类似于 ASIC“电路直给”,因此执行效率就大幅提高。

 

目前制约 FPGA 发展的主要因素分别是:成本、功耗和编程设计。

 

成本:对于小批量多批次的专用控制设别(如雷达、航天飞机、汽车电子、路由器,这些高价值、批量相对较小、多通道计算的专用设备)采用 FPGA 更加经济划算。但是,对于流片量大(大概 5 万次以上)的芯片,FPGA 成本更高,随着流片量的增加成本越来越高。


功耗:FPGA 中的芯片的面积比 ASIC 更大,这是因为 FPGA 厂商并不知道下游的具体需求应用,故在芯片中装入规模巨大的门电路(其实很多没有使用到),行业深度报告:FPGA—大数据和物联网时代大有可为国防、汽车等,这些领域对低功耗要求不高。


编程设计:FPGA 的发展中,软件将占据 60%的重要程度。除了考虑芯片架构,编程设计时还要考虑应用场景多样性、复杂性和效率。FPGA 编程需要采用的专用工具进行 HDL 编译,再烧录至 FPGA 中,其技术门槛非常高。

 

FPGA 应用领域

具体细分领域来看,在 FPGA 被用于深度学习之前,FPGA 主要有 3 大应用方向:通信设备的高速接口电路设计;数字信号处理方向 / 数学计算方向,包括图像处理,雷达信号处理,医学信号处理等,优势是实时性好,用面积换速度,比 CPU 快的多;SOPC,即利用 FPGA 这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境,然后设计者在上面进行嵌入式软件开发。

 

 

FPGA 国内外厂商对比

 

国际领先厂商

FPGA 市场前景诱人,但是门槛之高在芯片行业里无出其右。


1984 年 Xilinx赛灵思)刚刚创造出 FPGA 时,它还是简单的胶合逻辑芯片,而如今在信号处理和控制应用中,它已经取代了自定制专用集成电路(ASIC)和处理器。

 

短短 30 多年的发展中,超过上百家行业巨头先后斥资数十亿美元,前赴后继地尝试登顶 FPGA 高地,不过最后大部分都铩羽而归。其中不乏英特尔、IBM、德州仪器、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星这样的行业巨鳄,但目前在 FPGA 领域,Xilinx(赛灵思)、Altera(阿尔特拉)、Lattice(莱迪思)、Microsemi(美高森美)保持领先地位,四家厂商共计拥有超过 10000 件专利,占总量 60%以上,其中,Xilinx 和 Altera 长期稳坐第一第二的位置,两家公司共占有近 90%的市场份额,专利达到 6000 余项之多,这两家公司一直以来是市场和技术的领头羊。


FPGA 是一个技术密集型的行业,没有坚实的技术功底,很难形成有竞争力的产品??梢运?,FPGA 是全球芯片设计业最需要技术和垄断突破的产品之一,在所有的芯片领域中属于最难以突破和打破格局的技术产品。这也是 FPGA 市场多年来被四大巨头 Xilinx(赛灵思)、Altera(阿尔特拉)、Lattice(莱迪思)、Microsemi(美高森美)基本垄断的原因。


但是,赛灵思和 Altera 虽然控制世界将近 90%的 FPGA 市场,但是他们的产品大多以纯 FPGA 为主。“平台化”已成为 FPGA 一个发展趋势,尽管赛灵思和 Altera 在 FPGA“平台化”方面在最近几年也有涉及,但概念和特点比较简单,没有完全形成气候。


下面来简单介绍一下赛灵思和 Altera 两家厂商情况。


赛灵思:发明的 FPGA 颠覆了半导体世界,创立了 Fabless(无晶圆厂)的半导体模式。Xilinx 的产品组合融合了 FPGA、SoC 和 3DIC 系列 All Programmable 器件,以及全可编程的开发模型,包括软件定义的开发环境等。产品支持 5G 无线、嵌入式视觉、工业物联网和云计算所驱动的各种智能、互连和差异化应用。

 


从 FPGA 发展至今一直在行业中保持领先,公司产品纵向布局各个制程,以满足复杂度不同的各种应用。

 

赛灵思公司目前在中国内地设有 6 家办事处,公司很多项重要的区域性业务均以中国为基地。亚太区技术支持中心设在上海。另外,针对中国快速发展的 PLD 市场,赛灵思特别成立了两个专门的产品小组分别负责数字信号处理和低成本消费电子解决方案的开发。赛灵思还在深圳和上海均建立了应用中心和实验室,负责 DSP(数字信号处理)和低成本解决方案的开发和客户支持。

 

他们的主要业务包括 DSP、嵌入式、无线、视频和监测等应用的 IP(知识产权)开发、参考解决方案设计和整体解决方案设计。目前在中国内地市场,赛灵思公司与三大分销合作伙伴包括安富利、好利顺和世健科技一起为该地区日益增长的 FPGA 用户需求提供专业快捷的支持。


同时,作为一家知名的无生产线半导体企业,赛灵思公司将其低成本的 CPLD(复杂的 PLD)系列的生产外包给国内领先代工厂和舰科技。 拓展业务领域 加大中国投入。

 

Altera:是世界上“可编程芯片系统”(SOPC)解决方案倡导者。结合带有软件工具的可编程逻辑技术、知识产权(IP)和技术服务,在世界范围内为 14,000 多个客户提供高质量的可编程解决方案。2015 年,英特尔宣布以 167 亿美元收购 FPGA 厂商 Altera。这是英特尔公司历史上规模最大的一笔收购。随着收购完成,Altera 将成为英特尔旗下可编程解决方案事业部。在和 Xilinx 的制程战之争中,两家巨头各领风骚。

 

Altera 自进入中国之日起,就一直不断加大在中国市场的投入。早在 2000 年,Altera 公司就宣布在中国上海成立亚太区技术支援中心,这一举措体现了 Altera 对亚太区特别是中国的长期投资策略。

 

中国 FPGA 机遇何在?

中国 FPGA 市场国产化率非常低,政府部门国产应用率不足 30%,还有很大提升空间,商用市场国产化率就更低,形势不容乐观。


为了满足经济发展和国防需求,打破国外垄断,中国政府多年来投入了数百亿科研经费,通过逆向工程方式仿制美国对我国禁运的 FPGA 产品。


不过,由于全球绝大部分 FPGA 专业人才集中在前几家龙头厂商,其它厂商人才匮乏,再加上 FPGA 开发需要最先进的制造封测工艺、软件开发难度大、IP 多且杂,需要大量应用才能支撑市场,因此中国目前的发展存在严重滞后的问题。

 


当然,这也是国内厂商的发展机会,从信息、产业和国防安全等方面考虑,中国不仅需要自主 FPGA,而且还需要将其快速国产化。


我们不得不承认国产 FPGA 产业与国际巨头还存在较大的差距,不论从产品性能、功能、功耗、软件、应用支撑以及成本上都有差距。


但是,中国拥有超过 50 亿元的 FPGA 市场。中国的可编程器件市场将持续保持年均 30%以上的增长速度。诸如航天航空、信息安全、知识产品?;さ裙谝恍┲匾芯坎棵偶毙枰渤て谛枰?FPGA 用于国家安全和重点应用。


此外,中国电子产品市场要求敏捷快速的研发周期和少量多样的产品形态,最适合 FPGA 应用。以及在 AI、IoT、5G 快速发展和即将商用的情况下,预计将带来庞大的 FPGA 增量市场,而这也是国内厂商快速切入的时机。

 

因此,中国 FPGA 产业享有巨大的发展空间,机遇与挑战并存。

 

据了解,国内目前有以紫光同创、京微雅格、高云半导体、京微齐力、上海安路、AGM、上海复旦微等为代表的数家国产 FPGA 玩家。但是,国内 FPGA 以偏低端的 CPLD 和小规模 FPGA 器件为主,市场占有率低。

 

紫光同创

紫光同创系紫光集团下属紫光国微的子公司,专业从事可编程逻辑器件(FPGA、CPLD 等)研发与生产销售工作,产品市场覆盖通信网络、信息安全、人工智能、数据中心、工业物联网等领域。该公司目前的主打产品为 Titan 系列高性能 FPGA,已广泛应用于通信、信息安全等领域。


此外,紫光集团想通过购买 Lattice 快速发展,受到美国外国投资委员会(CFIUS)的审查和特朗普政府的反对后收购以失败告终。


京微雅格

京微雅格公司聚集了最早在 FPGA 行业耕耘与尝试的一批技术精英,他们采用了 SoC FPGA 的战略,片上整合了 DSP、Memory、MCU 等单元的 CME-GM7 系列,试图通过整合的优势打破 FPGA 市场的壁垒。有两条产品线:1、自身从头研发的,面向中低端市场的金山系列;2、收购美国 CSwitch 的产品线,面向高速通信市场。

 


FPGA 对技术支持的门槛相当高,由于京微雅格没有办法做到 Pin-Pin,所以需要每一个产品都要有技术工程师保持长时间的维护和跟进,但是产品的成功率还可能不到 10%,这样的市场环境下,公司会陷入非常被动的局面,长时间的战略失误让京微雅格陷入了人才、资本和发展僵局。

 

京微雅格的失败有很多值得思考的地方,FPGA 产业的成功不仅在产品,还在于产品线的生态系统平台建设。这个生态系统平台包括:FPGA 芯片、EDA 工具、IP 库……缺一不可。完善的生态系统能够提供给用户更全面的设计资源,从而突出系统优势,迅速适应各种市场应用变化,快速抢占市场高地。同时,市场上的认可是决定芯片厂商能不能在高速的产品迭代中实现技术和资金的积累的重要因素,任何不被市场接受的高性能产品都是失败的。

 

京微雅格在 FPGA 上的努力和成果给了本土后继者很大的动力;京微雅格很多的技术研究人员在进入了后续成立的上海安路科技,AGM 和高云半导体团队里。也就是说,京微雅格在中国 FPGA 领域的开山鼻祖一样的存在使得散乱后的技术人才分散都国内其余的公司中,成为了人才与技术的黄埔军校。

 

高云半导体

高云半导体成立于 2014 年,是一家专业从事国产现场可编程逻辑器件(FPGA)研发与产业化为核心,旨在推出具有核心自主知识产权的民族品牌 FPGA 芯片,提供集设计软件、IP 核、参照设计、开发板、定制服务等一体化完整解决方案的高科技企业。

 


其 CEO 朱璟辉和 SVP 宋宁都来自于 Lattice 团队,朱璟辉从清华大学毕业后,1996 年 -2011 年任职 Lattice,历经七代 FPGA 产品的研发,曾获得 11 项美国专利,5 项中国专利,目前还是科技部 863 计划的可编程器件重大专项的技术负责人。另一个核心人物宋宁除了任职 Lattice 高工,还任职过 Cadence 高工。


目前负责高云半导体 FPGA 全流程软件开发,对 FPGA 架构、硬件设计、软件研发同步开发有独到经验。所以,Synopsys 为高云提供前 SynplifyPro 高云版端软件软件,也是中国唯一由新思授权的 FPGA 前端软件。

 

京微齐力

京微齐力公司成立于 2017 年 6 月,旨在打造一个涵盖可编程 FPGA 内核,异构计算与存储架构、芯片设计、软件开发、系统 IP 应用,成为国内以 FPGA 先进架构 / 芯片 / 软件 / 算法 / 方案为核心技术的未来异构可编程计算芯片的公司。


在未来,京微齐力将持续在 FPGA 上面深耕,另外还加强在 eFPGA,人工智能芯片、异构平台芯片等领域布局,先在中低端的小容量站稳脚跟,然后再往高端前进。

 

 

上海安路科技

上海安路信息科技有限公司成立于 2011 年,总部位于浦东张江,创始人为文余波,公司创始人及核心团队来自海外高级技术管理人才、国外 FPGA 公司产品开发骨干以及学术界资深 FPGA 科研人员组成,参与开发过多款世界领先的 FPGA 芯片和最好的 EDA 开发系统,具有很强的研究能力和设计水准。


此外,华大半导体作为国内最大的国产 EDA 软件商华大九天与安路科技在 EDA 工具上的合作空间,包括互补性上,具有较大的想象力。

 

AGM
上海遨格芯微电子有限公司(AGM)成立于 2012 年,是国内领先的以可编程逻辑技术为基础,提供应用市场 SoC 芯片的半导体集成电路无生产线设计公司。由来自美国硅谷知名可编程逻辑芯片企业的团队和国内资深工程团队创办。AGM 是以开发自主产权的编译软件开始,兼容切入现有 FPGA 软件的生态链。

 

通过最近几年的不断地产品迭代和市场扩展,AGM 悄悄地积累了比较稳定的客户,产品线也开始丰富起来,成为了国内 FPGA 的一批发展迅猛的黑马。

 

上海复旦微
复旦微在这个领域有近二十年的研究和发展经验。公司前期研制出的自主知识产权千万门级 FPGA 产品,突破了在传统集成电路设计基础上的高可靠性设计,经过测试,其高可靠性能处于国际领先地位。且已成功应用于我国卫星导航、载人航天等重大工程项目中,解决了我国高可靠 FPGA 禁运的难题。

 

据消息透露,复旦微正在研制新一代自主知识产权亿门级 FPGA 产品。该产品采用了全新的亿门级 FPGA 创新架构,并集成了专用超高速串并转换???、高灵活可配置???、专用数字信号处理???、高速内部存储???、可配置时钟??榈仁视靡诿?FPGA 应用的??榈缏?,其各类指标均已达国际同类产品先进水平。该亿门级系列产品的成功研制填补了国内超大规模亿门级 FPGA 的空白,可满足我国对国防、航空、航天、通信、医疗等领域 FPGA 器件的迫切需求。


除了以上厂商外,另外还有一些相关研究所和企业也在投入到 FPGA 领域进行研究。在这个不算大的领域百花齐放,百家争鸣。


差距明显,但仍需继续前行

目前活跃在市场的国产 FPGA 产品中,多以中低密度产品为主。国产厂商在中高密度 FPGA 的技术水平与国际领先厂商相比,在硬件设计和软件方面还有一定的差距。

 

从芯片角度看,国内的 FPGA 与国际厂商有两代半的工艺线。现在国际厂商已经在 16nm 产品上量产了,而国内厂商目前只做到 40nm,28nm 产品还在推进阶段。

 

如果从软件和生态方面看,国内 FPGA 企业与国际领先厂商之间更是有八到十年的差距。如果想追上,尤其是在中高密度产品上追上国际领先者,国内 FPGA 厂商还需要很长的一段路要走。

 

虽然差距很明显,但对于国内厂商来说,负重前行是一种必然的使命。尽管 FPGA 全球市场销售额近年来的年增长率一直徘徊在个位数,但其进入各类新兴市场如大数据、人工智能、云计算、硬件加速、汽车自动驾驶以及消费等领域的速度却非常吸引眼球,乃至人们对 FPGA 特别是国产 FPGA 的未来发展充满期待,资本进入该领域也日趋活跃。


当前,在国家大力支持集成电路产业发展的环境下,对于尚不够强大的中国 FPGA 企业来说不失为黄金发展时机,如何把握机会快速做大做强将是对每一家企业的考验。

 

 

FPGA 现状和趋势

 

现状

通用处理器(CPU)的摩尔定律已入暮年,而机器学习和 Web 服务的规模却在指数级增长。人们使用定制硬件来加速常见的计算任务,然而日新月异的行业又要求这些定制的硬件可被重新编程来执行新类型的计算任务。

 

当今,半导体市场格局已成三足鼎立之势,FPGA,ASIC 和 ASSP 三分天下。市场统计数据表明,FPGA 已经逐步侵蚀 ASIC 和 ASSP 的传统市场,并处于快速增长阶段。


FPGA 常年来被用作专用芯片(ASIC)的小批量替代品,随着近年来在各大科技公司的数据中心大规模部署,以同时提供强大的计算能力和足够的灵活性。


FPGA 已在全球七大数据中心实现部署,FPGA 最大的优点是动态可重配、性能功耗比高,非常适合在云端数据中心部署。


当在数据中心部署之后,FPGA 可以根据业务形态来配合不同的逻辑实现不同的硬件加速功能。


近两年,全球七大超级云计算数据中心包括 IBM、Facebook、微软、AWS 以及 BAT 都采用了 FPGA 服务器。在这方面,中国和美国处以同一起跑线。

 

 

未来趋势
FPGA 作为一种可编程逻辑器件,在短短二十多年中从电子设计的外围器件逐渐演变为数字系统的核心。伴随半导体工艺技术的进步,FPGA 器件的设计技术取得了飞跃发展及突破。通过 FPGA 器件的发展历程来看,今后仍将朝下以下几个方向发展:

 

  • 高密度、高速度、宽频带、高保密;

 

  • 低电压、低功耗、低成本、低价格;

 

  • IP 软 / 硬核复用、系统集成;

 

  • 动态可重构以及单片集群;

 

  • 紧密结合应用需求,多元化发展。


此外,集成了 FPGA 架构、硬核 CPU 子系统(ARM/MIPS/MCU)及其他硬核 IP 的芯片已经发展到了一个“关键点”,它将在今后数十年中得到广泛应用,为系统设计人员提供更多的选择。

 

 

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